CN112484628A - 基于液体芯仿生细胞的蚊子触角实体模型 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于液体芯仿生细胞的蚊子触角系统实体模型，精确模仿蚊子触角系统的结构和工作机制。本发明的蚊子触角实体模型，包括上部开口以柔性弹性膜(4)密封的圆盒状刚性底座(3)；还包括阶梯结构弹性杆(2)，阶梯结构弹性杆(2)下端固定连接在底座(3)底部，其上端穿过所述柔性弹性膜(4)，伸出于刚性底座(3)上表面；该伸出部分纵向分布多层纤毛层，每层纤毛层包括一端与所述弹性触角(2)固定连接的周向均布的多根纤毛(5)；还包括固设于刚性底座(3)盒内底部、周向均匀分布于阶梯结构弹性杆(2)周边，并与阶梯结构弹性杆(2)接触的第一至四液体芯有机压电材料球体(11、12、13、14)。

Description

基于液体芯仿生细胞的蚊子触角实体模型
技术领域
本发明属于蚊子触角仿生技术领域，特别是一种基于液体芯仿生细胞的蚊子触角实体模型。
背景技术
蚊子触角系统，包括一根触角，触角上部四周分布有密集的纤毛，下部包裹在江氏器中。当蚊子周围有气流或声波经过时，纤毛将受到空气阻力作用，推动触角产生弯曲变形。江氏器根据感知的触角根部变形的方向和幅值，判断周围气流或声波的方向和幅值。蚊子利用触角系统，可以逃避追捕，或进行配偶定位。触角系统是蚊子重要的感觉器官。由于体积小、结构复杂精细，很难通过现有的技术手段，直接测量蚊子触角系统的力学响应，或研究其工作机制。而根据真实的蚊子触角系统结构，用人工材料(或器件)代替相应的生物组织，设计制备蚊子触角实体模型，可以较真实地观察和测量出蚊子触角系统的工作机制，并进行各种生物体不方便开展的物理实验，促进了解蚊子的触觉和听觉机理。
目前，蚊子触角实体模型的结构如中国发明专利“一种多电极含芯压电聚合物放大装置”(申请号：201510753555.8公开日：2016.01.20)所述，一个悬臂梁的一端设置在绝缘材料制成的底座上，另一端自由悬空成为自由端；在悬臂梁除自由端部分的表面涂有一组对称电极，一个作为正极，一个作为负极，该电极与悬臂梁之间绝缘，且该电极与底座不接触；在自由端未涂布的表面上粘贴PVDF纤维，PVDF纤维长度从上到下逐渐变长，沿自由端圆周方向均匀分布。可以实现对微小变形量的精确测量。
上述放大装置中，悬臂梁本身是压电聚合物，利用压电效应，可以感知自身的变形。但是，由于悬臂梁表面只有一组对称电极，只能产生一个传感信号，因此，悬臂梁只能感知自身变形的方向或幅值，不能同时感知变形和幅值。上述放大装置这种结构和工作机制与蚊子触角系统有很大的不同。在蚊子触角系统中，触角杆本身不具有感知能力，其变形由江氏器感知。江氏器中有多个感觉细胞和触角杆同时接触，以同时感知触角杆的变形方向和幅值。因此，中国发明专利“一种多电极含芯压电聚合物放大装置”与蚊子触角系统的结构不同，感知周围气流或声波的工作原理也不相同，其生物力学特性也有很大的区别，不能完全模仿蚊子触角系统的工作机制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于液体芯仿生细胞的蚊子触角系统实体模型，精确模仿蚊子触角系统的结构和工作机制。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于液体芯仿生细胞的蚊子触角实体模型，包括上部开口的圆盒状刚性底座3；
所述刚性底座3的上部开口以柔性弹性膜4密封；
还包括一下部直径大、上部直径小的阶梯结构弹性杆2，所述阶梯结构弹性杆2下端固定连接在底座3底部，其上端穿过所述柔性弹性膜4，伸出于刚性底座3上表面；
所述阶梯结构弹性杆2伸出于刚性底座3上表面的部分纵向分布多层纤毛层，每层纤毛层包括一端与所述弹性触角2固定连接的周向均布的多根长度相同的纤毛5；
所述纤毛5在所述弹性触角2四周从底部到顶部，长度逐渐减小；
还包括固设于所述刚性底座3盒内底部的第一至四液体芯有机压电材料球体11、12、13、14；
所述第一至四液体芯有机压电材料球体11、12、13、14周向均匀分布于阶梯结构弹性杆2周边，并与阶梯结构弹性杆2接触。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
能精确模仿蚊子触角系统。当有低速气流吹过实体模型时，纤毛产生弯曲变形，根部扭转力和力矩作用在弹性触角上，使其产生弯曲变形。弹性触角压迫弯曲方向上的液体芯有机压电材料球体中的一个或两个；受到压迫的所述液体芯有机压电材料球体将在内层导电液体和外层导电液体内产生传感电荷，根据传感电荷的大小可以计算出所述弹性触角的弯曲变形方向和幅值，进而计算出所述纤毛5的扭转力或力矩的方向和大小，最后计算出气流的大小和方向。通过所述的实体模型，可以研究蚊子触角系统的结构、作用机制等方面的内容，并可以进一步研究蚊子的听觉系统工作原理。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明基于液体芯仿生细胞的蚊子触角实体模型的结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是图1中底座内部结构详图。
图4是图3中液体芯压电材料球体的竖向截面图。
图中，11、12、13、14液体芯有机压电材料球体，2阶梯结构弹性杆，3底座，4柔性弹性膜，5纤毛，
底板101，内层导电液体102，柔性有机压电材料壳体103，外层导电液体104，柔性弹性外壳膜105，外层电极引线106，内层电极引线107，弯曲刚性杆108。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明基于液体芯仿生细胞的蚊子触角实体模型，包括上部开口的圆盒状刚性底座3；
所述刚性底座3的上部开口以柔性弹性膜4密封；
还包括一下部直径大、上部直径小的阶梯结构弹性杆2，所述阶梯结构弹性杆2下端固定连接在底座3底部，其上端穿过所述柔性弹性膜4，伸出于刚性底座3上表面；
所述阶梯结构弹性杆2伸出于刚性底座3上表面的部分纵向分布多层纤毛层，每层纤毛层包括一端与所述弹性触角2固定连接的周向均布的多根纤毛5；
还包括固设于所述刚性底座3盒内底部的第一至四液体芯有机压电材料球体11、12、13、14；
所述第一至四液体芯有机压电材料球体11、12、13、14周向均匀分布于阶梯结构弹性杆2周边，并与阶梯结构弹性杆2接触。
优选地，
所述周向均布于同层的多根纤毛5长度相同或不同。
当周向均布于同层的多根纤毛5长度相同时，整个装置依靠下部的液体芯，感知方向；当周向均布于同层的多根纤毛5长度不同时，纤毛5本身就具有了方向感知能力。
优选在，
所述多层纤毛层纤毛5的长度自下往上依次递减，成塔形。可以减小体积，增加纤毛的寿命。否则，上层纤毛容易受到伤害。
如图3、4所示，
所述第一液体芯有机压电材料球体11包括圆形底板101、半球壳状柔性有机压电材料壳体103和半球壳状柔性弹性外壳膜105；
所述柔性有机压电材料壳体103开口端与底板101密闭连接，其内充满内层导电液体102，所述柔性弹性外壳膜105套装在所述柔性有机压电材料壳体103外，开口端与底板101密闭连接，在所述柔性弹性外壳膜105与柔性有机压电材料壳体103之间充满外层导电液体104；
还包括弯曲刚性杆108，所述弯曲刚性杆108一端与柔性弹性外壳膜105固定连接，另一端与所述弹性触角2接触。
优选地，
所述弯曲刚性杆108一端与柔性弹性外壳膜105相切并固定连接，其另一端与所述弹性触角2相切并接触。
一方面，可使弯曲刚性杆108的细微摆为柔性弹性外壳膜105感知，另一方面与弹性杆2接触更充分。不但提高了灵敏度，还增加了可靠性。
如图4所示，
还包括一端与内层导电液体102电连接的内层电极引线107、一端与外层导电液体104电连接的外层电极引线106。
所述外层导电液体103和内层导电液体101为炭黑溶液、金属离子溶液或金属化合物溶液。
所述第一至四液体芯有机压电材料球体11、12、13、14形状、结构相同。
本发明的工作原理详述如下：
当有低速气流吹过液体芯仿生细胞的蚊子触角实体模型时，所述纤毛5在流场中受到气流作用，产生弯曲变形，根部产生扭转力和力矩。这些扭转力和力矩作用在所述弹性触角2上，使所述弹性触角2产生弯曲变形。所述弹性触角2由于弯曲变形，压迫弯曲方向上的所述第一至四液体芯有机压电材料球体11、12、13、14中的一个或两个液体芯有机压电材料球体；由于压电效应，受到压迫的所述液体芯有机压电材料球体将在所述内层导电液体102和外层导电液体104内产生传感电荷，并经过所述外层电极引线106和内层电极引线107传入传感电路中。根据传感电荷的大小可以计算出所述弹性触角2的弯曲变形方向和幅值，进而计算出所述纤毛5的扭转力或力矩的方向和大小，最后计算出气流的大小和方向。
通过所述的实体模型，可以研究蚊子触角系统的结构、作用机制等方面的内容，并可以进一步研究蚊子的听觉系统工作原理。

Claims (8)

1.一种基于液体芯仿生细胞的蚊子触角实体模型，其特征在于：
包括上部开口的圆盒状刚性底座(3)；
所述刚性底座(3)的上部开口以柔性弹性膜(4)密封；
还包括一下部直径大、上部直径小的阶梯结构弹性杆(2)，所述阶梯结构弹性杆(2)下端固定连接在底座(3)底部，其上端穿过所述柔性弹性膜(4)，伸出于刚性底座(3)上表面；
所述阶梯结构弹性杆(2)伸出于刚性底座(3)上表面的部分纵向分布多层纤毛层，每层纤毛层包括一端与所述弹性触角(2)固定连接的周向均布的多根纤毛(5)；
还包括固设于所述刚性底座(3)盒内底部的第一至四液体芯有机压电材料球体(11、12、13、14)；
所述第一至四液体芯有机压电材料球体(11、12、13、14)周向均匀分布于阶梯结构弹性杆(2)周边，并与阶梯结构弹性杆(2)接触。
2.根据权利要求1所述的蚊子触角实体模型，其特征在于：
所述周向均布于同层的多根纤毛(5)长度相同。
3.根据权利要求2所述的蚊子触角实体模型，其特征在于：
所述多层纤毛层纤毛(5)的长度自下往上依次递减。
4.根据权利要求1至3之一所述的蚊子触角实体模型，其特征在于：
所述第一液体芯有机压电材料球体(11)包括圆形底板(101)、半球壳状柔性有机压电材料壳体(103)和半球壳状柔性弹性外壳膜(105)；
所述柔性有机压电材料壳体(103)开口端与底板(101)密闭连接，其内充满内层导电液体(102)，所述柔性弹性外壳膜(105)套装在所述柔性有机压电材料壳体(103)外，开口端与底板(101)密闭连接，在所述柔性弹性外壳膜(105)与柔性有机压电材料壳体(103)之间充满外层导电液体(104)；
还包括弯曲刚性杆(108)，所述弯曲刚性杆(108)一端与柔性弹性外壳膜(105)固定连接，另一端与所述弹性触角(2)接触。
5.根据权利要求4所述的蚊子触角实体模型，其特征在于：
所述弯曲刚性杆(108)一端与柔性弹性外壳膜(105)相切并固定连接，其另一端与所述弹性触角(2)相切并接触。
6.根据权利要求5所述的蚊子触角实体模型，其特征在于：
还包括一端与内层导电液体(102)电连接的内层电极引线(107)、一端与外层导电液体(104)电连接的外层电极引线(106)。
7.根据权利要求6所述的蚊子触角实体模型，其特征在于：
所述外层导电液体(103)和内层导电液体(101)为炭黑溶液、金属离子溶液或金属化合物溶液。
8.根据权利要求1所述的蚊子触角实体模型，其特征在于：
所述第一至四液体芯有机压电材料球体(11、12、13、14)形状、结构相同。
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